智能私有開(kāi)源傳感器站

描述

當(dāng)我非常專注于項(xiàng)目（比如這個(gè)項(xiàng)目）時(shí)，我經(jīng)常會(huì)忘記我的環(huán)境。突然坐在黑暗中或沒(méi)有意識(shí)到需要新鮮空氣的情況并不少見(jiàn)。以前，我購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)知名品牌的智能傳感氣象站，我真的很喜歡它的傳感器。我喜歡他們提供的數(shù)據(jù)量。但是我意識(shí)到，我意識(shí)到，我沒(méi)有在一個(gè)該死的設(shè)備上本地訪問(wèn)我的個(gè)人數(shù)據(jù)，而這個(gè)設(shè)備就在我旁邊。該設(shè)備僅適用于互聯(lián)網(wǎng)連接，我的所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在他們的服務(wù)器上。

將傳感器/設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)并不能使其變得智能！

作為一名修補(bǔ)匠，我認(rèn)為我也可以做到這一點(diǎn)，甚至可能做得更好，獲得相同的傳感器數(shù)據(jù)，向其添加通知和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但略有不同的是，我的數(shù)據(jù)和邏輯將在本地存儲(chǔ)和處理。

所以這就是我所做的：我?guī)е业?Raspberry Pi 并在上面安裝了傳感器，用于測(cè)量溫度、濕度、空氣質(zhì)量、環(huán)境光和氣壓。我決定使用我最喜歡的物聯(lián)網(wǎng)中間件 nymea，并為傳感器編寫(xiě)插件。Nymea 提供了一堆開(kāi)箱即用的東西，例如日志記錄、統(tǒng)計(jì)信息、通知和規(guī)則，因此我可以輕松地在我的環(huán)境中添加一些實(shí)際的智能行為。

組件

我使用了幾個(gè)從亞馬遜購(gòu)買(mǎi)的 I2C 傳感器。我一直在尋找 I2C 空氣質(zhì)量傳感器，但找不到價(jià)格合理的傳感器，所以我將一個(gè)便宜的模擬空氣質(zhì)量傳感器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱 ADC）。我使用的是 Raspberry Pi 3B+，但支持 I2C 接口的類似硬件平臺(tái)就可以了。

• 溫度和濕度傳感器：我發(fā)現(xiàn)傳感器最SHT30適合我的用例。它很便宜，并且注意濕度和溫度之間的物理影響。使用數(shù)據(jù)表讀取值非常簡(jiǎn)單。
• 壓力傳感器：非常流行的壓力傳感器是BMP180。使用此傳感器，我還可以獲得溫度和濕度，因?yàn)檎_測(cè)量需要這些值。傳感器在出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片中，我覺(jué)得非常整潔。數(shù)據(jù)表為我提供了有關(guān)如何獲得壓力的所有必要步驟。如果你愿意，你也可以計(jì)算海拔高度，但我的用例并不需要它
• 光強(qiáng)度傳感器：有很多傳感器用于此目的。我一直在尋找一個(gè)適合測(cè)量可見(jiàn)光的傳感器，因?yàn)槲蚁朐谖业目蛷d里使用這個(gè)傳感器。我選擇了TSL2561，它給我全光譜的光強(qiáng)度測(cè)量，此外，還單獨(dú)給我紅外光強(qiáng)度光譜。這真的很方便，因?yàn)樗试S我從全光譜中減去紅外光譜測(cè)量，從而得到適合人類的光測(cè)量。
• 空氣質(zhì)量傳感器。事實(shí)證明，在不花一大筆錢(qián)的情況下找到合適的空氣質(zhì)量傳感器有點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性。我最終得到了一個(gè)模擬 MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器。它測(cè)量空氣中的不同氣體，如 NH3、NOx、酒精、苯、煙霧和 CO2。挖掘有關(guān)此傳感器的更多信息表明，從傳感器中挑選出某種氣體并不是最簡(jiǎn)單的事情。必須對(duì)每個(gè)單獨(dú)的傳感器（找到 R0）進(jìn)行校準(zhǔn)，并且傳感器需要至少 24 小時(shí)的“老化”階段才能提供任何有用的數(shù)據(jù)。可以在此處找到對(duì)傳感器的詳細(xì)描述和深入研究。其背后數(shù)學(xué)模型的代碼可以在這里找到. 我實(shí)施了該模型，結(jié)果在我的案例中提供的信息多于準(zhǔn)確的信息，但稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

連接傳感器

由于 I2C 是并行總線，每個(gè) I2C 設(shè)備都有不同的默認(rèn)寄存器地址，因此無(wú)需更改地址，所有設(shè)備都可以直接連接。空氣質(zhì)量傳感器具有模擬輸出，因此需要一個(gè) ADC。為此，我使用了ADS1115ADC，它也連接到 I2C 總線，允許我讀取模擬值作為數(shù)字表示。仍然有三個(gè)免費(fèi)輸入，將來(lái)我可能會(huì)用額外的傳感器擴(kuò)展站點(diǎn)。我將溫度傳感器放置在盡可能遠(yuǎn)離空氣質(zhì)量傳感器的位置，因?yàn)榭諝赓|(zhì)量傳感器包含一個(gè)會(huì)變熱的加熱元件。

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1 / 2 ?傳感器和 ADC 的接線

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連接后，我檢查了i2c-detect所有設(shè)備是否根據(jù) Raspberry Pi 上的相應(yīng)數(shù)據(jù)表正確顯示。

   $ i2cdetect -y 1
        0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
   00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- 39 -- -- -- -- -- --
   40: -- -- -- -- 44 -- -- -- 48 -- -- -- -- -- -- --
   50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   70: -- -- -- -- -- -- -- 77

• 0x39光傳感器TSL2561
• 0x44溫濕度傳感器SHT30
• 0x48ADC ADS1115（MQ-135 連接到 AI0）
• 0x77壓力傳感器BMP180

軟件

作為我的 Raspberry Pi 的基本操作系統(tǒng)，我使用了最新的Raspbian 。使用蝕刻機(jī)將圖像閃存到 micro SD 卡后，我直接進(jìn)行布線和開(kāi)發(fā)。

首先，我從官方存儲(chǔ)庫(kù)安裝了nymea （我最喜歡的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)）。

sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-key A1A19ED6
sudo apt update
sudo apt install nymea nymea-plugins nymea-cli libnymea1-dev git libi2c-dev

傳感器站的插件不適合主存儲(chǔ)庫(kù)，因?yàn)檫@是一個(gè) DIY 項(xiàng)目，但您可以從我的github 帳戶獲取源代碼并為您的系統(tǒng)構(gòu)建它：

# Clone the source code on the Raspberry Pi 
git clone https://github.com/t-mon/nymea-sensorstation-plugin.git
cd nymea-sensorstation-plugin
  
# Build the plugin against the current libraries
mkdir build
cd build
qmake ../
make -j$(nproc)
  
# Finally install the plugin and restart nymea
sudo make install
sudo systemctrl restart nymead

在我的設(shè)置中，我有飛利浦 Hue燈、Kodi 媒體中心、LG 智能電視、我居住地的天氣信息以及一些其他集成的設(shè)備和服務(wù)。我還啟用了遠(yuǎn)程連接，以便在我的手機(jī)上擁有推送通知服務(wù)（數(shù)據(jù)將保留在本地，我只使用云連接進(jìn)行遠(yuǎn)程連接并接收推送通知）。根據(jù)我從新傳感器站獲得的數(shù)據(jù)，這些是我想要控制的設(shè)備。

現(xiàn)在它還包含我的新傳感器站！

插件開(kāi)發(fā)完成后，我在我的系統(tǒng)上安裝了插件，并通過(guò)使用nymea:app作為系統(tǒng)客戶端將傳感器站添加為“事物”。

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1 / 5 ?事物概覽

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讀取傳感器數(shù)據(jù)

在開(kāi)發(fā) I2C 傳感器讀取機(jī)制（不斷啟動(dòng)線程以讀取循環(huán)中的數(shù)據(jù)）時(shí)，我意識(shí)到每個(gè)傳感器都會(huì)生成大量數(shù)據(jù)，并且信號(hào)中也有一些噪聲。為了防止大量數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)儲(chǔ)到日志數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則引擎和整體系統(tǒng)性能上，我必須進(jìn)行一些過(guò)濾。在寫(xiě)這篇文章的時(shí)候，系統(tǒng)的閱讀間隔是5分鐘。這似乎是讀取緩慢變化的傳感器（如溫度、濕度和壓力）的好時(shí)間間隔。當(dāng)涉及到快速變化的傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，例如光強(qiáng)度或空氣質(zhì)量傳感器，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。例如：我打開(kāi)燈，在最壞的情況下，系統(tǒng)會(huì)在 5 分鐘后識(shí)別出燈光增加。不是很好。當(dāng)前的光測(cè)量非常適合緩慢的日光變化，但在處理快速變化方面并不是最好的。問(wèn)題在于數(shù)據(jù)中的巨大噪聲，這使得經(jīng)典的低通/高通濾波或 PID 調(diào)節(jié)器變得無(wú)用，因?yàn)槟惚仨氝M(jìn)行如此強(qiáng)烈的濾波，以至于失去了快速響應(yīng)的效果。

也許本文的讀者對(duì)此問(wèn)題有解決方案？是否有一種濾波器模型/方法可以在嘈雜信號(hào)上實(shí)現(xiàn)平滑、良好的數(shù)據(jù)變化，但對(duì)強(qiáng)變化（如開(kāi)燈）的響應(yīng)時(shí)間快速？

數(shù)據(jù)解讀

我將傳感器站放在客廳沙發(fā)旁邊（因?yàn)檫@是我最想要舒適的興趣點(diǎn)），我讓系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)幾天，以查看傳感器數(shù)據(jù)在我的房間中的表現(xiàn)如何環(huán)境

在應(yīng)用程序概覽中，我看到了我的電臺(tái)的當(dāng)前值。

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數(shù)據(jù)概覽

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早上，當(dāng)我開(kāi)始新的一天時(shí)，我會(huì)打開(kāi)百葉窗和窗戶，因?yàn)槲业墓⒏綦x得很好。來(lái)自我的新傳感器站的數(shù)據(jù)很好地代表了我的“起床”程序，如下圖所示（直接來(lái)自應(yīng)用程序的屏幕截圖）。我在早上 8:30 打開(kāi)窗戶 20 分鐘。

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1 / 5 ?溫度測(cè)量

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• 打開(kāi)窗戶后，溫度下降了約3° C 。然后加熱將溫度調(diào)節(jié)回所需的 22.5°C。
• 開(kāi)窗后濕度明顯下降。
• 今天壓力慢慢下降，這是一個(gè)陽(yáng)光明媚的冬日。
• 光照強(qiáng)度在早上顯示出一個(gè)大的峰值。這是陽(yáng)光直射通過(guò)窗戶到達(dá)傳感器，然后太陽(yáng)升得更高。大約在 10 點(diǎn) 30 分，我打開(kāi)了第二個(gè)百葉窗，在那里你可以看到臺(tái)階。中午前后房間的正常亮度約為 1100 勒克斯。然后價(jià)值慢慢下降，直到日落。
• 打開(kāi)窗戶后，空氣質(zhì)量測(cè)量值明顯下降。數(shù)值越低空氣越好。如果我將窗戶打開(kāi)大約 2 小時(shí)，該值約為 300 ppm。再次關(guān)閉窗口后，該值緩慢上升。

下午，當(dāng)外面天色越來(lái)越暗時(shí)，我再次檢查了傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)果如下（我沒(méi)有打開(kāi)窗戶，一個(gè)人在這里，我妻子在 16:30 左右下班回家）。

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1 / 5 ?溫度測(cè)量

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• 白天溫度升高了一點(diǎn)（天氣晴朗）。并在下午晚些時(shí)候下降（加熱再次打開(kāi)）。
• 白天濕度上升，在 18 點(diǎn) 45 分左右達(dá)到頂峰，也就是我真正開(kāi)始做飯的地方。
• 壓力變化非常小。還不確定如何處理這些數(shù)據(jù)。
• 光照強(qiáng)度隨太陽(yáng)一起下降。今天的日落時(shí)間是 17:53。但是在我的客廳里，大約 17:00 時(shí)天已經(jīng)黑了，那里的亮度約為 80 lux。那就是我要開(kāi)燈的地方。在這里我們還可以看到我在 18:45 到 19:20 之間打開(kāi)廚房的燈做飯的時(shí)間。
• 白天空氣質(zhì)量測(cè)量值升高，在我妻子回家時(shí)約 16:30 有一個(gè)更大的峰值，因?yàn)榉块g里有兩個(gè)人在呼吸。我開(kāi)始做飯時(shí)的另一個(gè)高峰。

定義規(guī)則

在對(duì)傳感器值有了良好的感覺(jué)之后，是時(shí)候根據(jù)這些數(shù)據(jù)定義一些規(guī)則和操作了。對(duì)于我的“問(wèn)題”，我定義了兩個(gè)規(guī)則。

我調(diào)用的第一個(gè)規(guī)則Air quality notification應(yīng)該在空氣質(zhì)量不好時(shí)通知我，這樣我就可以打開(kāi)窗戶，讓我的頭腦保持清醒和清醒。根據(jù)白天收集的數(shù)據(jù)，我意識(shí)到，當(dāng) ppm 值高于 2000 ppm 時(shí)，我可以感覺(jué)到需要新鮮空氣（散步后回到房間）。如果這個(gè)值只代表 CO2，我可能會(huì)死于 2000 ppm，但傳感器正在檢測(cè)多種氣體，因此有很大的解釋空間。為了進(jìn)行精確測(cè)量，我肯定會(huì)選擇另一個(gè)傳感器，但就我的需要而言，它可以勝任。

一旦該值超過(guò) 2000 ppm，該規(guī)則就會(huì)向我的手機(jī)和我的媒體中心發(fā)送通知。

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1 / 3 ?空氣質(zhì)量通報(bào)規(guī)則

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我調(diào)用的第二條規(guī)則Light sensor rule應(yīng)該打開(kāi)我的沙發(fā)背景燈，但前提是電視當(dāng)前處于打開(kāi)狀態(tài)。我可以通過(guò)兩種方式做到這一點(diǎn)，要么檢查 Kodi 當(dāng)前是否正在播放（我使用Mythtv的Kodi PVR 插件看電視），要么通過(guò)檢測(cè)電視是否可訪問(wèn)來(lái)使用智能電視插件。這兩種情況都適合我。我還可以使用存在傳感器插件，它檢查 LAN 中是否存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如果我的電話或我妻子的電話在網(wǎng)絡(luò)中，如果光強(qiáng)度低于 80 勒克斯，請(qǐng)打開(kāi)燈。

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電視可達(dá)條件下的光敏規(guī)則

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結(jié)論

有用！使用室內(nèi)傳感器站 2 個(gè)多星期后，我意識(shí)到我打開(kāi)窗戶的頻率更高了，而且自從使用它以來(lái)，我從未突然坐在黑暗中。令我驚訝的是，我在傳感器數(shù)據(jù)中識(shí)別出了我的哪些日常行為。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地和我的，我對(duì)收集的數(shù)據(jù)沒(méi)有任何不好的感覺(jué)。該功能（電話通知除外）不依賴于我的互聯(lián)網(wǎng)連接。

下一步是什么？

我想用我的新傳感器站做幾件事。一些想法：

• 建立射頻室外站，使用 6LoWPAN 或 Zigbee 向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 添加更多傳感器以獲得更好的周?chē)畔ⅰ?/font>I2C 總線上仍有三個(gè)可用的模擬輸入和大量寄存器。更多數(shù)據(jù)、更多信息、更多自主行為。
• 在變暗的同時(shí)平滑地增加亮度也會(huì)非常好。nymea 中仍然缺少此功能，但希望此功能將很快實(shí)現(xiàn)。
• 對(duì)光強(qiáng)度和空氣質(zhì)量進(jìn)行更好的傳感器過(guò)濾，以檢測(cè)峰值，例如：將煙霧吹入傳感器或打開(kāi)燈以獲得快速反應(yīng)行為。也許有人可以幫我？:)
• 使用FFT檢測(cè)數(shù)據(jù)中的重復(fù)模式，例如開(kāi)窗事件、烹飪、招待客人、飲酒。

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